22
Результаты исследований зависимости эффекта применения «жидких теплоизолирующих покрытий» на основе полых микросфер от оптических свойств подложки и дополнительного поверхностного слоя
Д.Н. Астахов, научный руководитель пилотного проекта «Технология повышения надежности и снижения энергетических потерь в тепловых камерах», главный специалист, ЗАО ИЦ «Энергетика города», г. Москва
Тематика данной статьи полностью посвящена аспектам исследования теплофизических свойств так называемых «жидких теплоизолирующих» покрытий», содержащих в своем составе полые стеклянные микросферы. Кроме такого словосочетания как «жидкие теплоизолирующие покрытия» применительно к подобным материалам используются и другие словосочетания «субстанция типа полые микросферы-полимерное связующее» или «жидкие керамические теплоизоляционные покрытия». Первоначально следует кратко остановиться на истории вопроса.
В начале 1970-х гг. в США было разработан теплоизолирующий материал марки «Thermal-Coat», в состав которого входили вакуумированные стеклянные микросферы и связующая субстанция в качестве которой выступали латексы бутадиенстирольных и винилакриловых полимеров. В самом начале 21 века производство теплоизолирующих материалов, включающих в свой состав полые стеклянные микросферы, было налажено на территории Российской Федерации. В настоящее время в РФ насчитывается более десятка производителей так называемых «жидких теплоизолирующие покрытий», которые наносятся на изолируемые поверхности по технологиям, аналогичным тем, что применяются по отношению к лакокрасочным материалам. В смысле заявляемой эффективности, как теплоизолирующего материала, одним из основных критериев которой является коэффициент теплопроводности, в случае различных торговых марок имеет место достаточно широкий разброс параметров, предполагающий практически двадцати пяти кратное различие. Наиболее низкий коэффициент теплопроводности заявляется в случае материала, выпускаемого под торговым наименованием «Корунд» - 0.0012 Вт/м*К, наиболее высокий декларируется в случае материала «Теплос-топ» - 0.03-0.01 Вт/м*К.
Согласно информации, размещенной на сайтах целого ряда производителей «жидких теплоизолирующих покрытий», благодаря аномально низкому заявляемому коэффициенту теплопроводности слой материала, содержащего полые микросферы, при толщине порядка 1-2 мм, в смысле возможности снижения тепловых потерь, в состоянии составить полноценную замену слою минеральной ваты 50 и более мм. Подобные заявления о полноценной замене традиционных теплоизолирующих материалов, используемых для теплоизоляции трубопроводов слоем «альтернативной» теплоизоляции толщиной всего 1-2 мм., по вполне понятным причинам, вызывают недоверие среди большинства специалистов в области теплоснабжения.
Автором были проведено более пятидесяти тестов «жидких теплоизолирующих покрытий» различных производителей. В ходе тестов сравнивались эффекты снижения тепловых потерь, которые достигаются при использовании «жидких теплоизолирующих покрытий», наносимых слоем толщиной порядка 0.8 мм, и традиционных теплоизолирующих материалов на поверхности гильз, изготовленных из стальной трубы диаметром 89 мм и высотой 350 мм. При проведении тестирования гильзы располагались вертикально и заполнялись водой при температуре порядка 900С. Верхние сечения гильз закрывались пробками, изготовленными из вспененного пеннополиуретана толщиной 25 мм. Через отверстия в пробке во внутренний объем гильз были введены измерительные зонды (терморезисторы), подключенные к входам двухканального измерителя регулятора температуры ИРТ-4/2.
В ходе проведенной работы был обнаружено и не однократно подтверждено следующее явление: при нанесении «жидких теплоизолирующих покрытий» на поверхность гильзы очищенной до металлического блеска происходит увеличение скорости охлаждения воды залитой в гильзу по сравнению с тем случаем, когда на поверхности гильзы отсутствует какой либо теплоизолирующий материал. Эффект интенсификации теплообмена, к которому приводило нанесение «жидких теплоизолирующих покрытий» на поверхности стальных гильз очищенных до металлического блеска, наблюдался на фоне снижения тепловых потерь в том случае, если перед нанесением «жидких теплоизолирующих покрытий» поверхность грунтовалась материалом темного цвета. Для предварительной грунтовки поверхности первоначально использовалась эмаль ПФ-115, а в последствии черная акриловая краска.
Некоммерческое партнерство по содействию внедрению энергоэффективных технологий «Энергоэффективный город» привлекло ОАО «ВНИПИэнергопром» для проведения исследования образцов жидких теплоизолирующих материалов, включающих в свой состав полые микросферы, для подтверждения их заявляемых свойств.
Автор данной статьи неоднократно принимал непосредственное участие в проведении подобных испытаний. При измерении теплопроводности «жидких теплоизолирующих покрытий» согласно методике, регламентируемой ГОСТ 70-76, по крайней мере, в лаборатории трубопроводов и энергетического оборудования ОАО «ВНИПИэнергопром» признаков наличия у «жидких теплоизолирующих покрытий» аномально низкого коэффициента теплопроводности обнаружено не было. Согласно выводам, сделанным по результатам достаточно большого количества научных работ, в случае «теплоизолирующих покрытий на основе полых микросфер признаков аномально низкого коэффициента теплопроводности не наблюдается. В качестве примера подобных работ можно привести [1] . В то же время представители ряда производителей «жидких теплоизолирующих покрытий» утверждают примерно следующее - в силу специфичности подобных материалов применение стандартных методик не позволяет достоверно оценить их эффективность. Следует отметить, что «жидкие теплоизолирующие покрытия» действительно обладают специфическими свойствами, так, например, при использовании на поверхностях, температура которых превышает 1000С, в случае толщины покрытия порядка одного миллиметра измерение температуры поверхности «жидкого теплоизолирующего покрытия» при помощи оптического пирометра или тепловизора показывают, что температура поверхности снизилась незначительно или даже осталась на прежнем уровне - выше ста градусов, в то же время вода (например, в виде капель), находящаяся на поверхности не закипает, одновременно наблюдается такое явление как неожиданно низкая скорость таяния кусков льда при размещение их на поверхности «теплоизолирующего покрытия». Автор предложил изменить подход к анализу эффективности «жидких теплоизолирующих покрытий» в сторону сравнения не расчетных (или декларируемых), а реальных тепловых потерь.
Идеология предложенного автором метода тестирования заключалась в непосредственном натурном сравнении эффектов снижения тепловых потерь, достигаемых при использовании традиционных теплоизолирующих материалов, широко используемых для теплоизоляции трубопроводов в настоящее время, и материалов, включающих в свой состав полые микросферы. В качестве установки для проведения сравнительных тестов был использован стенд для измерения коэффициента теплопроводности методом трубы. Внешний вид установки, на которой проводилось тестирование представлен на рис 1.
Рис. 1. Стенд для измерения коэффициента теплопроводности методом трубы, использовавшийся для тестирования материалов
С точки зрения специалиста в области теплоснабжения суть сравнительного теста является достаточно наглядной. Первоначально на участке трубопровода, входящего в состав стенда для измерения коэффициента теплопроводности, используется традиционная теплоизоляция, например, листовой вспененный каучук или вспененный полиэтилен. Мощность электрического нагревателя расположенного внутри участка трубопровода, входящего в состав стенда, устанавливается такой величины, чтобы ожидаемая температура поверхности трубы по достижению режима стационарного теплообмена не превышала (или превышала незначительно) предельно допустимую температуру эксплуатации используемого традиционного теплоизолирующего материала. По достижению стационарного режима теплообмена при помощи штатного измерительного устройства (термопары), входящего в состав установки фиксируется температура на внутренней поверхности теплоизолированного участка трубопровода. Далее установка выключается и на поверхность участка трубопровода в два или три приема (в зависимости от реологических свойств материала) наносится «жидкое теплоизолирующее покрытие» на основе полых микросфер слоем порядка 1 мм.. После полимеризации связующей субстанции, входящей в состав «жидкого теплоизолирующего покрытия», установка включается при сохранении точно такой же мощности нагревателя, какая имела место при использовании «классической теплоизоляции». Далее по достижению стационарного режима теплообмена фиксируется температура внутренней поверхности участка трубопровода. Предложив к реализации вышеописанный подход, автор руководствовался достаточно наглядным подходом к трактовке получаемых результатов - в том случае, если при использовании на поверхности трубопровода «жидкого теплоизолирующего покрытия» после достижения стационарного режима теплообмена зафиксированная температура внутренней поверхности трубопровода окажется выше, нежели чем в случае использования традиционного теплоизолирующего материала, утверждения целого ряда производителей материалов, включающих в свой состав полые микросферы об аномально низком коэффициенте теплопроводности найдут, по меньшей мере, одно из подтверждений, если ниже, то подобные утверждения будут опровергнуты, по меньшей мере, для случая использования на трубопроводах.
Автором так же было сделано предложение изучения влияния эффекта использования «жидких теплоизолирующих покрытий » от оптических свойств поверхности, на которую они наносятся. Суть предложения сводилась к следующему: перед нанесением слоя покрытия на основе полых микросфер участок трубопровода плотно по спирали обертывается слоем алюминиевой фольги с минимально возможной толщиной, а теплоизолирующее покрытие наносится уже на поверхность фольги. Подобный подход к процессу нанесения теплоизолирующего покрытия аналогичного лако-красочному материалу предполагает отсутствие какой либо адгезии к поверхности участка трубопровода, что предполагает возможность достаточно простого удаления слоя после осуществления очередного цикла тестирования. Как известно подавляющему большинству специалистов в области теплофизики в случае использования традиционных, тех же самых рулонных, теплоизолирующих материалов для целей теплоизоляции трубопроводов оптические свойства поверхности трубопровода не оказывают существенного влияния на величину достигаемого эффекта.
В процессе тестирования рулонного теплоизолирующего материала (вспененного полиэтилена толщиной 15 мм) при мощности нагревателя, установленного внутри участка трубопровода 200 Вт, (при диаметре трубы 108 мм и длине 230 мм - такая мощность соответствует тепловому потоку порядка 300 Вт/м2 в пересчете на внешнюю поверхность трубы). После установления стационарного режима теплообмена температура внутренней поверхности трубы составила 1320С. Далее теплоизоляция была удалена и тестированию на реальные тепловые потери был подвергнут участок трубы, на поверхности которой присутствовал только слой фольги. Для поддержания температуры внутренней поверхности трубы на уровне 1320С потребовалась мощность нагревателя 452 Вт. Далее установка была выключена, и после ее остывания на поверхность фольги в два приема с соблюдением инструкции производителя был нанесен слой «жидкого теплоизолирующего покрытия» «Кронакрил» слоем со средней толщиной порядка 1 мм. При мощности нагревателя 200 Вт по достижению стационарного режима теплообмена температура внутренней поверхности трубопровода установилась на уровне 740 С.
Для получения наиболее объективных данных о теплоизолирующих свойствах тестируемого материала автором было предложено выяснить, какая мощность нагревателя потребуется для того, чтобы при наличии на поверхности трубы «жидкого теплоизолирующего покрытия» температура внутренней поверхности трубы составляла такую же величину, как при использовании вспененного полиэтилена толщиной 10 мм. В ходе эксперимента удалось выяснить, что для поддержания температуры на уровне 1320С требуемая мощность нагревателя составляет величину 745 Вт. С точки зрения представлений о свойствах пористых структур подобный результат является достаточно неожиданным - использование на поверхности трубопровода пористой структуры приводит не к снижению, а к увеличению тепловых потерь в 745/452= 1.648 раза. Обращая внимание на подобный результат от использования «жидкого теплоизолирующего покрытия», являющегося аналогом лако-красочного материала, следует отметить, что при нанесении какой либо краски, обладающей высоким коэффициентом излучения на нагретую поверхность с низким коэффициентом излучения (каким обладает алюминиевая фольга) увеличение тепловых потерь является вполне закономерным результатом. В то же время результат от применения на поверхности трубы «жидкого теплоизолирующего покрытия», содержащего микросферы явным образом отличался от того, который следовало бы ожидать при нанесения на поверхность фольги обычного лакокрасочного материала с высоким коэффициентом излучения.
1. Несмотря на то, что температура на внутренней поверхности трубы составляла величину порядка 1300С к поверхности трубы можно было на непродолжительное время прикасаться ладонью не получая ожогов.
2. Измерения температуры поверхности «жидкого теплоизолирующего покрытия» при помощи оптического пирометра при установленном коэффициенте излучения 0.95 приводили к получению результата 1190С.
3. Несмотря на показания пирометра, наблюдалось явление неожиданно (аномально) медленного таяния кусков льда, размещаемых на поверхности «жидкого теплоизолирующего покрытия».
С точки зрения представлений о пористых теплоизолирующих материалах, вышеописанные явления, когда использование пористой структуры приводит к интенсификации теплообмена (увеличению тепловых потерь) и при этом наблюдается заметное снижение скорости таяния льда на «теплоизолированной поверхности» (по сравнению с «голой» трубой) без всякого преувеличения можно рассматривать как самую настоящую аномалию.
Анализируя возможные причины аномалий, проявляющихся в случае использования «жидких теплоизолирующих покрытий» (подобные аномалии наблюдались в случае материалов сразу нескольких производителей), автор сделал предположение, что неожиданные результаты тестирования материалов, включающих в свой состав полые стеклянные микросферы обязаны присутствию неких оптических эффектов в инфракрасной области, связанных с перераспределением конвективной и радиационной составляющих теплообмена.
При изучении библиографии печатных источников, связанных с освещением результатов научных и экспериментальных работ по изучению оптических свойств субстанций, включающих в свой состав микросферы, автором была обнаружена работа [1], в которой приводились данные о наблюдений свойств, характерных для фотонных кристаллов в случае монослоев полимерных микросфер, имеющих размерность того же порядка (20-50 мкм), что и микросферы, используемые в составе «жидких теплоизолирующих покрытий».
Геометрические размеры микросфер, используемых в «жидких теплоизолирующих покрытиях», предполагают то, что если аномальные явления, о которых рассказывалось выше, связаны именно с наличием свойств фотонного кристалла, то проявление эффектов, характерных для фотонных кристаллов, следует ожидать именно в инфракрасной области.
Фотонные кристаллы, как явление вызывающее сегодня достаточно серьезный интерес среди ученых, имеет на настоящий момент достаточно непродолжительную историю, но как выяснилось, в природе фотонные кристаллы используются уже в течение многих миллионов лет. В частности, цвет чешуек целого ряда видов бабочек связан вовсе не с наличием пигментов, а с проявлением оптических свойств фотонных кристаллов. Яркие световые переливы драгоценного камня опала также, как и в случае крыльев бабочек, являются следствием проявления свойств фотонного кристалла и, в случае опала, дискретными элементами фотонного кристалла являются именно микросферы.